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Kugelwolkenmodell

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Das Kugelwolkenmodell (KWM, auch Kimballsches Atommodell und Tetraedermodell) ist ein Atommodell, mit dem sich manche Phänomene – wie beispielsweise die kovalente Bindung oder der Molekülbau – veranschaulichen lassen. Es stellt eine Erweiterung des Bohrschen Atommodells dar und ist eine Vereinfachung gegenüber dem genaueren Orbitalmodell. Das Modell geht unter anderem auf den amerikanischen Quantenchemiker George Elbert Kimball zurück und wurde vom Chemiker Henry A. Bent als „Tangent Sphere Modell“ weiterentwickelt. Als Entwickler werden auch der Chemiker Nevil Sidgwick und H. M. Powell genannt.

Geschichte Bearbeiten

In den 1950er Jahren war das Orbitalmodell prinzipiell ausreichend, um die Eigenschaften von Molekülen berechnen zu können. Wegen der Komplexität des Modells durch die verschiedenen Orbitale und Orbitalformen war damit aber ein erheblicher Aufwand verbunden. Kimball entwickelte deswegen ein Atommodell, das anstelle der variationsreichen Orbitalformen nur kugelförmige s- und p-Orbitale verwendete und dennoch gute Ergebnisse bei Molekülberechnungen ermöglichte. Dieses Modell veröffentlichte er 1957. Er konnte es aufgrund einer Herzerkrankung nicht weiterentwickeln, an dieser verstarb er 1967.

Kimballs Ansatz inspirierte Henry A. Bent zu einer Neuinterpretation dieses Modells, dem „Tanget-Sphere-Model“. Er führte als weitere Vereinfachung ein, die qualitative Berücksichtigung der intramolekularen Anziehungs- und Abstoßungskräfte dadurch erfolgen zu lassen, dass sich die jeweiligen Ladungswolken berühren müssen. Das führte zwar zu fachwissenschaftlicher Kritik, ermöglichte aber einen einfachen Zugang zu Bindungen und Molekülgeometrien. Die aus dem Kugelwolkenmodell resultierenden Darstellungen mit entsprechenden Ladungswolken (Hybridorbitalen) sind heute in den meisten gängigen Schulbüchern anzutreffen, das eigentliche Kugelwolkenmodell findet man dort aber nur selten.

Zusammenhang mit dem Atommodell von Bohr Bearbeiten

Aus dem Schalenmodell von Bohr übernommen sind die Elektronenschalen, die um den Atomkern angeordnet sind. In jeder Schale sind aufgrund des Pauli-Prinzips jeweils maximal zwei Elektronen in einer Kugelwolke (kugeligen Elektronenwolke) zusammengefasst. Die Elektronenwolke ist als „Aufenthaltsraum“ für die Elektronen zu verstehen, in dem sie sich bewegen.

Je weiter eine Elektronenschale vom Mittelpunkt des Atoms entfernt ist, desto mehr Elektronenwolken können geometrisch um den Kern angeordnet werden. Dementsprechend passen bei wachsender Entfernung immer mehr Elektronenwolken auf eine Schale:

  • Erste Schale (K-Schale) = 2 Elektronen = 1 Elektronenwolke
  • Zweite Schale (L-Schale) = 8 Elektronen = 4 Elektronenwolken
  • Dritte Schale (M-Schale) = 18 Elektronen = 9 Elektronenwolken
  • Vierte Schale (N-Schale) = 32 Elektronen = 16 Elektronenwolken

Die Anzahl Elektronen, die in der n-ten Schale Platz haben, berechnen sich nach der Formel

Allerdings nimmt jede äußere Schale, wie schon im Bohrschen Modell, nicht mehr als 8 Elektronen auf.

Regeln zum Auffüllen der Elektronenwolken Bearbeiten

  • In der ersten Schale gibt es nur eine Kugelwolke, die zentral um den Kern angeordnet ist.
  • Ab der zweiten Schale werden immer erst 4 Elektronenwolken angelegt, erst in den Nebengruppen werden sie auf die Endzahl erweitert (allerdings spielt das bei der chemischen Bindung keine Rolle)
  • Jede der vier Elektronenwolken wird aufgrund der Abstoßung der Elektronen zuerst einfach besetzt. Erst ab dem 5. Elektron auf der Schale sind die Elektronen paarweise in den Elektronenwolken verteilt.
  • Die Elektronenwolken versuchen immer einen möglichst großen Abstand zu erreichen, weshalb sie tetraedrisch angeordnet sind.
  • Die Besetzung der inneren Schalen wird nicht beachtet, da sie bei der chemischen Bindung keine Rolle spielen.
  • Die weitere Besetzung der Elektronenwolken und Schalen erfolgt nach dem Madelung-Energieschema.

Beispiele Bearbeiten

Die folgende Grafik stellt in der Valenzstrichschreibweise die Elemente der 2. Periode dar. Vollbesetzte Kugelwolken werden durch einen Strich und halbbesetzte durch einen Punkt dargestellt.

Weblinks Bearbeiten

Commons: Kugelwolkenmodell – Sammlung von Bildern

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Axel König: Computergestützte Lehr- und Lernmaterialien zur chemischen Bindung, Dissertation, Mai 2003
  2. Reinke, André, Flint, Alfred: Das 'Kugelwolken-Modell' - ein Klassiker neu belebt!? Chemie Konkret; April 2016, Vol. 23 Issue 2, p59-63
  3. Elemente Chemie I – Baden-Württemberg, 2004, S. 162–165.
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Veröffentlichungsdatum:
Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen beispielsweise Einzelnachweisen ausgestattet Angaben ohne ausreichenden Beleg konnten demnachst entfernt werden Bitte hilf Wikipedia indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfugst Das Kugelwolkenmodell KWM auch Kimballsches Atommodell und Tetraedermodell ist ein Atommodell mit dem sich manche Phanomene wie beispielsweise die kovalente Bindung oder der Molekulbau veranschaulichen lassen Es stellt eine Erweiterung des Bohrschen Atommodells dar und ist eine Vereinfachung gegenuber dem genaueren Orbitalmodell Das Modell geht unter anderem auf den amerikanischen Quantenchemiker George Elbert Kimball zuruck und wurde vom Chemiker Henry A Bent als Tangent Sphere Modell weiterentwickelt Als Entwickler werden auch der Chemiker Nevil Sidgwick und H M Powell genannt 1 Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Zusammenhang mit dem Atommodell von Bohr 3 Regeln zum Auffullen der Elektronenwolken 4 Beispiele 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseGeschichte BearbeitenIn den 1950er Jahren war das Orbitalmodell prinzipiell ausreichend um die Eigenschaften von Molekulen berechnen zu konnen Wegen der Komplexitat des Modells durch die verschiedenen Orbitale und Orbitalformen war damit aber ein erheblicher Aufwand verbunden Kimball entwickelte deswegen ein Atommodell das anstelle der variationsreichen Orbitalformen nur kugelformige s und p Orbitale verwendete und dennoch gute Ergebnisse bei Molekulberechnungen ermoglichte Dieses Modell veroffentlichte er 1957 Er konnte es aufgrund einer Herzerkrankung nicht weiterentwickeln an dieser verstarb er 1967 Kimballs Ansatz inspirierte Henry A Bent zu einer Neuinterpretation dieses Modells dem Tanget Sphere Model Er fuhrte als weitere Vereinfachung ein die qualitative Berucksichtigung der intramolekularen Anziehungs und Abstossungskrafte dadurch erfolgen zu lassen dass sich die jeweiligen Ladungswolken beruhren mussen Das fuhrte zwar zu fachwissenschaftlicher Kritik ermoglichte aber einen einfachen Zugang zu Bindungen und Molekulgeometrien Die aus dem Kugelwolkenmodell resultierenden Darstellungen mit entsprechenden Ladungswolken Hybridorbitalen sind heute in den meisten gangigen Schulbuchern anzutreffen das eigentliche Kugelwolkenmodell findet man dort aber nur selten 2 Zusammenhang mit dem Atommodell von Bohr BearbeitenAus dem Schalenmodell von Bohr ubernommen sind die Elektronenschalen die um den Atomkern angeordnet sind In jeder Schale sind aufgrund des Pauli Prinzips jeweils maximal zwei Elektronen in einer Kugelwolke kugeligen Elektronenwolke zusammengefasst Die Elektronenwolke ist als Aufenthaltsraum fur die Elektronen zu verstehen in dem sie sich bewegen Je weiter eine Elektronenschale vom Mittelpunkt des Atoms entfernt ist desto mehr Elektronenwolken konnen geometrisch um den Kern angeordnet werden Dementsprechend passen bei wachsender Entfernung immer mehr Elektronenwolken auf eine Schale Erste Schale K Schale 2 Elektronen 1 Elektronenwolke Zweite Schale L Schale 8 Elektronen 4 Elektronenwolken Dritte Schale M Schale 18 Elektronen 9 Elektronenwolken Vierte Schale N Schale 32 Elektronen 16 ElektronenwolkenDie Anzahl Elektronen die in der n ten Schale Platz haben berechnen sich nach der Formel Maximale Elektronenanzahl 2 n2 Allerdings nimmt jede aussere Schale wie schon im Bohrschen Modell nicht mehr als 8 Elektronen auf Regeln zum Auffullen der Elektronenwolken BearbeitenIn der ersten Schale gibt es nur eine Kugelwolke die zentral um den Kern angeordnet ist Ab der zweiten Schale werden immer erst 4 Elektronenwolken angelegt erst in den Nebengruppen werden sie auf die Endzahl erweitert allerdings spielt das bei der chemischen Bindung keine Rolle Jede der vier Elektronenwolken wird aufgrund der Abstossung der Elektronen zuerst einfach besetzt Erst ab dem 5 Elektron auf der Schale sind die Elektronen paarweise in den Elektronenwolken verteilt Die Elektronenwolken versuchen immer einen moglichst grossen Abstand zu erreichen weshalb sie tetraedrisch angeordnet sind Die Besetzung der inneren Schalen wird nicht beachtet da sie bei der chemischen Bindung keine Rolle spielen 3 Die weitere Besetzung der Elektronenwolken und Schalen erfolgt nach dem Madelung Energieschema Beispiele Bearbeiten nbsp Wasserstoffatom Die erste Schale hat nur eine Kugelwolke die zentrisch um den Kern angeordnet ist nbsp Sauerstoffatom In der zweiten Schale gibt es vier Kugelwolken die beim Sauerstoff zusammen 6 Elektronen aufnehmen mussen nbsp Chlorwasserstoff Molekul Die Bindung kommt durch Uberlappung der einfach besetzten Elektronenwolken vom Wasserstoff und Chlor zustande nbsp Periodensystem der Elemente im Kugelwolkenmodell von Kimball helle Kugelwolken haben ein Elektron dunkle Kugelwolken zwei ElektronenDie folgende Grafik stellt in der Valenzstrichschreibweise die Elemente der 2 Periode dar Vollbesetzte Kugelwolken werden durch einen Strich und halbbesetzte durch einen Punkt dargestellt nbsp Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Kugelwolkenmodell Sammlung von Bildern kurze Einfuhrung auf dem Landesbildungsserver BW Weiterfuhrende Betrachtungen und Visualisierungen zum quantitativen Lewis Modell das auf Kimballs Kugelwolken basiert von Ernst Schumacher englisch Artikel zum Kugelwolkenmodell der Universitat RostockEinzelnachweise Bearbeiten Axel Konig Computergestutzte Lehr und Lernmaterialien zur chemischen Bindung Dissertation Mai 2003 Reinke Andre Flint Alfred Das Kugelwolken Modell ein Klassiker neu belebt Chemie Konkret April 2016 Vol 23 Issue 2 p59 63 Elemente Chemie I Baden Wurttemberg 2004 S 162 165 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Kugelwolkenmodell amp oldid 239371920